中关铁矿帷幕注浆工程科技成果汇编

宋　峰，蒋鹏飞，刘殿凤，于同超

（华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄050021）

摘要：帷幕注浆工程属于典型的隐蔽工程，目前关于帷幕注浆质量的分析方法并不多，效果也不明显。本文以中关铁矿帷幕注浆工程注浆孔资料为基础，总结出单位注灰量变化曲线分析法，该方法利用注浆叠加原理，依据三个施工次序注浆孔的单位注灰量变化曲线，分析评价帷幕注浆质量。

关键词：帷幕注浆　单位注灰量　变化曲线　质量分析

1.引言

中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，其主要含水层是奥陶系中统石灰岩，具有分布广、厚度大、透水性强和不均一等特点。由于矿区水文地质条件复杂，一直到2004年该矿仍未建矿开采。

矿区地下水主要接受西北、西南区域地下径流的侧向补给，补给强度受季节控制，在洪水季节，由于区域石灰岩含水层直接接受降雨入渗及河流渗入补给，水位快速回升，水力坡度较大，对矿区的补给量也急剧增加，呈现集中补给长期消耗的态势。

区域内外分布有数十个大小不一的铁矿、煤矿，由于开采时均采用疏干排水方式，已造成原有流量为4～6m3／s的邢台百泉在20世纪80年代末期干枯。经统计，近几年邢台百泉附近的奥陶系中统石灰岩含水层地下水位下降幅度已超过50m，逐渐威胁到邢台市水源地安全。

中关铁矿处于区域内强径流带上，矿体埋藏最深处达到400m，如果中关铁矿采矿按传统疏干方法抽排地下水，邢台百泉将会雪上加霜。河北钢铁集团矿业有限公司为保护环境水资源，合理开发矿产，对中关铁矿采用了全封闭的帷幕注浆方案对地下水进行围堵。

中关铁矿帷幕注浆（按单排孔设计）帷幕线长3　397m，孔距12.00m，注浆孔283个，最深注浆孔834.01m，总钻探进尺约20万延米。

帷幕注浆是典型的隐蔽工程，其注浆质量关系着帷幕的堵水效果和矿山生命财产的安全，但目前针对帷幕注浆施工质量的分析评价手段不多，效果也不很明显。

本文以中关铁矿282个注浆孔的资料，利用注浆叠加原理，根据注浆孔单位注灰量的变化曲线，探讨分析帷幕注浆质量，该方法取名为“帷幕注浆单位注灰量变化曲线分析法”。

2.中关铁矿地质概述

2.1　地层

矿区地层由老至新有太古界、中上元古界、下古生界寒武系和奥陶系，上古生界石炭—二叠系，古生界三叠系，新生界第三系和第四系。

2.2　构造

本区西部为太行隆起带，东接华北沉降带，区内主要发育有北北东向及北东向断层构造，且以北北东向断层为主。褶皱构造规模小。

在矿床内，因受区域构造的影响，形成了次一级的小断层，有F1（矿）、F2（矿）、F3（矿）三条断层。

3.矿区水文地质条件

3.1　含水岩组概述

在该区范围内发育有太古代到新生代所形成的沉积岩、火成岩、变质岩和松散堆积物，根据含水层性质的不同可以划分为四个含水岩组，即：第四系松散岩类孔隙含水层组，石炭—二叠系薄层灰岩和砂岩裂隙含水层组，寒武、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组，燕山期岩浆岩风化裂隙弱含水层组。

奥陶系中统石灰岩为矿床的直接顶板，是矿区的主要含水层，分布于整个矿区。其下伏闪长岩矿层为其相对隔水顶板，由于受燕山期闪长岩类侵入、分割作用，使其仅通过西北、西南、东北三个口子和区域灰岩相连。

矿区石灰岩含水层的水力性质目前为潜水。

3.2　石灰岩含水层的富水性及变化规律

区域奥陶系中统石灰岩为一统一含水岩体，但裂隙岩溶发育程度及其富水性受岩性、构造、火成岩、水动力场、水化学等控制。由于上述诸因素在不同地段作用强度不同，故其含水性极不均一，存在着明显水平分区和垂向分区的现象。在水平上大体分为三个大区，即强富水区、较弱富水区和极差富水区，矿区位于强富水区。

矿床地段石灰岩含水层在垂向上大致分为三个带，见表1。

表1石灰岩含水层垂向分带

3.3　石灰岩含水层地下水径流条件

1998年以前，本区西部山区的地下水由北?河口子进入本区，经玉石洼、郭二庄、王窑至中关；西北部的地下水一部分绕綦村岩体西端汇入沙河至百泉的强径流带，另一部分经西北口子在中关矿区与北?河口子水流汇合后经东北口流出向邢台泉群排泄。

由于区内铁矿、煤矿的不断开采，加大了对石灰岩地下水的疏干量，造成邢台泉群干枯，在凤凰山铁矿和王窑铁矿形成了两个较大的降落漏斗。

3.4　矿坑涌水量预测

矿区水文地质条件复杂，开拓深度大。2004年预计矿坑涌水量见表2。

表2　各水平矿坑涌水量预测

4.中关铁矿帷幕注浆设计与施工

中关铁矿根据矿区水文地质条件，设计堵水帷幕为全封闭单排注浆孔，在平面上呈南北长，东西窄，近似椭圆形（图1）。(www.xing528.com)

在垂向上注浆孔全部进入隔水底板闪长岩10.0m以上，为保证帷幕注浆工程的堵水效果，设计体现了施工要求高（堵水率大于80%，钻孔的偏斜率不大于6‰）、钻孔深度大（最深超过830m）等特点。

4.1　帷幕注浆工程设计参数

通过前后两次帷幕注浆试验，中关铁矿帷幕注浆工程获取了大量的数据和经验，最终设计参数见表3。

图1　堵水帷幕及矿井平面布置

表3　帷幕注浆工程设计参数

4.2　帷幕注浆工程量

截至2010年8月，中关铁矿帷幕注浆工程经过两年的野外施工，工作量完成情况见表4。

表4　设计工作量及完成情况统计

4.3　注浆材料

本次帷幕注浆工程的主要材料为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，注浆施工采用纯水泥浆液。

4.4　注浆孔施工的顺序

注浆孔按三个次序施工，按图2所示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔。

图2　注浆孔施工顺序

5.单位注灰量变化曲线分析法的应用

图3　理想叠加效应示意

5.1　应用的原理

众所周知，在注浆过程中，在达到设计压力的情况下，注浆孔周边会形成一个影响半径，在孔距合理的情况下，各个影响半径会相互搭接，产生叠加效应。也就是说当Ⅰ序孔注浆后会影响Ⅱ、Ⅲ序孔的注浆量；当Ⅱ序孔注浆后会影响Ⅲ序孔的注浆量，同时也会对Ⅰ序孔有一定的逆向补充作用；当Ⅲ序孔注浆时就会对Ⅰ、Ⅱ序孔形成一定的逆向补充。同理可推，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的注浆材料消耗有很大的差别，表现为Ⅰ序孔注浆量大、耗灰多，Ⅱ序孔次之，Ⅲ序孔最小。假如在均质岩层中注浆，理想的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的单位注灰量应当是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，如图3所示。

在非均质的裂隙岩溶地层中注浆，各序孔的平均单位注灰量不会如图3那样呈现一条直线，而是呈一条波浪状曲线。曲线的分布规律一般情况下应当是Ⅰ序孔在上，Ⅱ序孔在中，Ⅲ序孔在下。如果曲线出现非上述表现，说明这一段的注浆效果值得注意，必须加强分析研究。

5.2　中关铁矿帷幕注浆单位注灰量变化曲线分类

在中关铁矿帷幕注浆工程完成的282个注浆孔中，Ⅰ序孔70个，Ⅱ序孔92个，Ⅲ序孔120个。将所有注浆孔的平均单位注灰量按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序连接起来后（图4），可以总结出6种组合形式［图4中（1）－（6）］

图4　单位注灰量变化曲线分类

在图4中：第1种曲线类型符合上述叠加原则，评价认为该区段裂隙岩溶发育，连通性好；注浆叠加效应好，注浆质量优良；第2种曲线类型虽然违背了叠加原则，但由于Ⅱ序孔对Ⅲ序孔的影响较大，使得Ⅲ序孔的单位注灰量明显变小，评价认为该区段裂隙岩溶发育但不均一，Ⅱ序孔占据叠加效应的主导位置，但该类型曲线的单位透水率和离散系数均表现出较好的叠加效应，反映出良好的注浆效果；第3、4、5、6种曲线类型却不能直接评价其注浆效果的好或坏，应当加强研究，分析产生的原因，及时布置一定数量的检查孔以验证其注浆效果。

在此还应当说明，如果在某一较长区段内，三个序孔的单位注灰量曲线出现互相交叉（图4中第7种曲线），Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔单位注灰量较小且变化不大，透水率也较接近，三个序孔的离散系数变幅不大，评价认为该区段地层裂隙岩溶不发育，连通性不好。但注浆透水率减弱，已达到堵水的目的，我们将具有这种特点的曲线归为第7种类型。

5.3　曲线分类的可靠性

中关铁矿帷幕注浆工程注浆孔已基本结束，通过区段总结分析，布置并已施工完成22个检查孔，检查孔的分布考虑了上述所有的曲线类型，其检查验证的相关资料统计见表5。

由表5可见：第1类型曲线即符合理论曲线，实际情况也表现出最佳的注浆效果；第2类型曲线虽然超标值稍多，但除一段注灰量偏大外，其他均刚过超标值，应当说该种类型的注浆质量良好；第7类型曲线是前述6种曲线的集合体，其特点是所在区段岩体透水性弱，注浆孔的扩散半径相对较小，互相叠加的作用不明显，但岩体自身透水性弱，并有浆液的填充补强，完全能够满足堵水要求。其他几种类型的曲线在本次工程中在空间上所占比例不多，不管其效果如何均应当分析具体情况，具有隐患因素的需布设检查孔检查验证。

如：K136作为Ⅲ序注浆孔，全孔平均单位注灰量为4　873kg／m，曲线属于第3类型（Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ），原因分析认为：该孔在－329.38～－333.89m段见4.51m高的溶洞，该段的单位注灰量达到270968.4kg／m。为检查在这种大型溶洞中的注浆效果，在K136和K137注浆孔中间布设1个检查孔，检查孔在－335.6～－336.6m段和－337.9～－338.7m段分别见0.6m 和0.8m长水泥结石，该段单位注灰量为16.39kg／m，可以证明K136的注浆达到了堵水的效果。

表5　检查孔验证资料统计

注：压水试验超标值确定为2Lu；本次检查孔的注浆超标值依据帷幕注浆工程中Ⅲ序孔平均值和井筒注浆平均值自行确定为300kg／m。

6.结论

参考文献：

房佩贤，卫中鼎，廖资生，等.专门水文地质学［M］.北京：地质出版社，1987.

中关铁矿帷幕注浆工程初步设计.华北冶金设计院.

（本论文发表于华勘院内部期刊）